JP2008300068A

JP2008300068A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2008300068A
Application number: JP2007141980A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Ishikawa; 智隆石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-11
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Abstract

【課題】低温環境下においても、燃料電池の内部温度が下がりすぎるのを防止すること。
【解決手段】燃料電池２０の冷却液供給系３を循環する冷却液の温度を温度センサ３２で検出し、温度センサ３２の検出温度を制御部８０で監視して、冷却液の温度が目標温度より高くなったときには、ロータリバルブ３４をラジエータ側流路に切替えて、ラジエータ３３によって冷却液を冷却し、冷却液の温度が目標温度より低くなったときには、ロータリバルブ３４をバイパス側流路に切替え、ＦＣ発電によって冷却液の温度を上昇させ、温度センサ３２の検出温度が目標温度になるように制御する過程で、低温環境下では、目標温度を通常時よりも高めるとともに、加熱手段１３０によって冷却液を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。

ところで、燃料電池システムにおいては、低温起動時に、前回システム停止時の水分が燃料電池内に残留していると水分が凍結し、起動しないことがある。また、起動したとしても、自己の反応によって生じた生成水が凍結し発電が停止することもある。

そこで、電気化学反応に伴って生じる生成水が燃料電池内部で凍結するのを防止するために、起動時に、燃料電池の内部温度が０℃以下のときには、冷却水ポンプの駆動を停止し、０℃以下の冷却水と燃料電池との間で熱交換が行われるのを抑制し、燃料電池の内部温度が上昇する動作を確保して、速やかに内部温度を０℃よりも高く上昇させるようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３６８７４号公報

従来技術においては、燃料電池の内部温度が０℃以下のときには、冷却水ポンプの駆動を停止するようにしているので、電気化学反応に伴って生じる生成水が燃料電池内部で凍結するのを防止することができる。しかし、冷却水ポンプの駆動を制御するに際しては、燃料電池の運転温度が常に所定温度以下となるように、冷却水ポンプの回転数を制御しているため、低温環境下においては、燃料電池の内部温度が低下しすぎることが危惧される。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、低温環境下においても、燃料電池の内部温度が下がりすぎるのを防止することにある。

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、所定の温度以下の低温環境下では、該通常運転時よりも高い目標温度となるように該燃料電池の温度を制御することを特徴とする。

係る構成によれば、通常運転時には所定の温度となるように燃料電池の温度が制御されるところ、低温環境下では、低温環境下よりも高い温度に設定された目標温度となるように温度が制御され、低温環境下にあっても冷却液の熱エネルギーを蓄熱することができ、冷却液の温度が低下しすぎるのを防止することができる。

また本発明の燃料電池システムは、該燃料電池に冷却液を供給する冷却液供給手段と、該冷却液の温度が目標温度となるように、該冷却液に対する熱交換量を制御する冷却液制御手段と、を備え、該冷却液制御手段は、低温環境下では、前記通常運転時よりも高い目標温度となるように該冷却液の温度を制御することを特徴とする。

係る構成によれば、冷却液供給系における冷却液の温度が目標温度となるように、冷却液に対する熱交換量を制御する過程で、低温環境下では、通常時よりも目標温度を高くしたため、低温環境下にあっても冷却液の熱エネルギーを蓄熱することができ、冷却液の温度が低下しすぎるのを防止することができる。

前記燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。

好適には、前記冷却液制御手段は、前記燃料電池の電解質膜が乾燥気味のときには、前記低温環境下であっても、前記目標温度を前記通常時の目標温度に維持してなる。

係る構成によれば、燃料電池の電解質膜が乾燥気味のときには、低温環境下であっても、冷却液の目標温度を通常時の目標温度に維持するようにしたため、燃料電池の電解質膜が乾燥しすぎるのを防止することができる。

好適には、前記冷却液供給手段は、前記燃料電池を冷却するための冷却液のループを形成する冷却路と、前記冷却路中に挿入されて前記冷却液を循環させる冷却液ポンプと、前記冷却液の熱を外部に放熱するラジエータと、前記ラジエータへ流入する冷却液の流路を、前記ラジエータをバイパスするバイパス側流路と前記ラジエータを通過するラジエータ側流路とに切り替える切替えバルブと、を備え、前記冷却液制御手段は、前記冷却路中の冷却液を加熱する加熱手段と、前記冷却路中の冷却液の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が目標温度となるように前記切替えバルブの切り替えを制御する制御手段と、を備え、前記冷却液制御手段は、前記温度センサの検出温度が低温環境下にあることを示すときには、前記目標温度を高くするとともに、前記冷却液の温度が、高くなった目標温度となるように前記加熱手段を駆動してなる。

係る構成によれば、燃料電池を冷却するための冷却液の温度を温度センサで検出し、温度センサの検出温度を冷却液制御手段で監視して、冷却液の温度が目標温度より高くなったときには、切替えバルブをラジエータ側流路に切替えて、ラジエータによって冷却液を冷却し、冷却液の温度が目標温度より低くなったときには、切替えバルブをバイパス側流路に切替え、ＦＣ発電によって冷却液の温度を上昇させる。温度センサの検出温度が目標温度になるように制御する過程で、低温環境下では、目標温度を通常時よりも高めるとともに、加熱手段によって冷却液を加熱することで、低温環境下にあっても冷却液の熱エネルギーを蓄熱することができ、冷却液の温度が低下しすぎるのを防止することができる。

ここで「加熱手段」の構成には限定はなく、冷却液の温度を上昇させることができる構造、例えば熱交換器やヒータ等であればここに適用することが可能である。

本発明によれば、所定の温度以下の低温環境下では、該通常運転時よりも高い目標温度となるように該燃料電池の温度を制御するので、低温環境下にあっても冷却液の熱エネルギーを蓄熱することができ、冷却液の温度が低下しすぎることを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。

図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と、燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９と、を備えて構成されている。

燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ等）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３）

なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の流路を、ラジエータ３３をバイパスするバイパス側流路（Ｃ側）とラジエータ３３を通過するラジエータ側（Ａ側）流路とに切り替えるロータリバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６、冷却液に溶け込んでいるイオンを除去するイオン交換器３７、冷却路３１とともに、冷却液を循環させるためのループを形成する冷却路３８などが設けられているとともに、低温環境下においても、冷却液を加熱するための加熱手段１３０が設けられている。

図２に示すように、加熱手段１３０は、ＦＣ冷却液循環系１３１と、空気循環系１４１とを備えて構成されている。ＦＣ冷却液循環系１３１は、冷却路３１と冷却路３８に接続された冷却液循環路１３２を備え、冷却液循環路１３２中に、三方弁１３３と、ウォータポンプ１３４と、暖房用熱交換器１３５、水冷媒用熱交換器１３６が配置されている。

三方弁１３３は、ショートサーキット（短絡）モードのときには制御部８０からの制御信号に従ってポートＡとポートＢとを結ぶルートに切り替えられ、ＦＣ連結モードのときには制御部８０からの制御信号に従ってポートＢとポートＣとを結ぶルートに切り替えるようになっている。

ショートサーキットモードに従って三方弁１３３が切り替えられると、冷却液循環路１３２への冷却液の流入が遮断され、加熱手段１３０が冷却液供給系統３から熱的に切り離される。一方、ＦＣ連結モードに従って三方弁１３３が切り替えられると、ウォータポンプ１３４が三方弁１３３のポートＣ、Ｂを介して冷却路３１に連結され、燃料電池２０の出口からの冷却液の一部がウォータポンプ１３４、熱交換器１３５、１３６を経由して、ロータリバルブ３４下流の冷却液に合流する。

ウォータポンプ１３４は、冷却液循環路１３３中の冷却液を加圧して循環させる。熱交換器１３５、１３６は、冷却液循環路１３２中の冷却液を空気循環系１４１の空気と熱交換させて、冷却液を加熱し、加熱された冷却液を燃料電池２０へ送給する。

空気循環系１４１は、空気を循環する空気循環路１４２を備え、空気循環路１４２中に、水冷媒用熱交換器１３６と、エアコンプレッサ１４３と、内部熱交換器１４４と、室外機１４５と、膨張弁１４６が配置されている。

エアコンプレッサ１４３は、制御部８０からの制御信号に従って回転数が制御され、回転数に応じて空気を加圧し、加圧された空気を、内部熱交換器１４４を介して室外機１４５に送給させる。室外機１４５は、内部熱交換器１４４から送給された空気を外気と熱交換して放熱し、熱交換された空気を膨張弁１４６に送給する。膨張弁１４６は、室外機１４５から送給された空気を断熱膨張させて、断熱膨張した空気を水冷媒用熱交換器１３６に送給する。水冷媒用熱交換器１３６は、膨張弁１４６から送給された空気を冷却液循環路１３２中の冷却液と熱交換させて、冷却液を加熱する。

図１に戻り、燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁（エジェクタ）４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。

循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７が設置されている。

また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５の回転数を検出する回転数センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。
カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器６４、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー６５が設けられている。気液分離器６４から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。電圧センサ９７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の二次側の電流を検出し、電流検出信号Ｓｉとして制御部８０へ供給し、電圧センサ９８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の二次側の電圧を検出し、電圧検出信号Ｓｅとして制御部８０へ供給するようになっている。

図３に示すように、制御部８０は、燃料電池２０の交流インピーダンスの測定に関連するブロックとして、フィルタ１０１、１０２、ＦＦＴ処理部１０３、１０４、補正処理部１０５、インピーダンス解析部１０６、判断部１０７、記憶装置１０８を備えている。

フィルタ１０１及び１０２は、バンドパスフィルタであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０によって電力線に重畳された周波数成分のみを通過させるものである。フィルタ１０１は、電流センサ９８で検出された電流検出信号Ｓｉのうち、インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。フィルタ１０２は、電圧センサ９７で検出された電圧検出信号Ｓｅのうち、インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。

ＦＦＴ処理部１０３及び１０４は、電流検出信号Ｓｉや電圧検出信号Ｓｅに対し高速フーリエ変換演算を行い、測定周波数成分における電流検出信号Ｓｉや電圧検出信号Ｓｅをそれぞれ実部と虚部（ａ_i＋ｊｂ_i、ａ_e＋ｊｂ_e）に分離する。

インピーダンス解析部１０６は、ＦＦＴ処理された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいてインピーダンスＸ（ａＸ＋ｊｂＸ）を算出し、複素平面上での原点からの距離（実効値）ｒ（＝√（（ａＸ）²＋（ｂＸ）²）と位相角θ（＝ｔａｎ-¹（ｂ／ａ））とを求め、印加された周波数の交流信号における交流インピーダンスを求めるものである。

ここで補正処理部１０５は、フィルタ１０１及び１０２のフィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を補正するものである。補正処理部１０５は、予め測定しているフィルタ１０１及び１０２の位相遅れ及びゲイン変動に基づき、ＦＦＴ処理部１０３及び１０４における実部と虚部の係数（ａ_i、ｂ_i、ａ_e、ｂ_e）の補正を行う。この補正処理により、フィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を取り除いた実際の電圧検出信号及び電流検出信号が得られるのである。

判断部１０７は、インピーダンス解析部１０６において求められた実効値と位相角、または、二つの異なる周波数ｆ１及びｆ２における複素平面における実部と虚部（ａＸ_f1、ｂＸ_f1）（ａＸ_f2、ｂＸ_f2）を記憶装置１０８に記憶させる。燃料電池２０の抵抗過電圧と拡散過電圧を求めるには、複素平面における二つの点に基づき幾何学的な計算により、複素平面におけるインピーダンス曲線を求め、周波数がゼロとした場合の抵抗値を電解質膜の抵抗とし、周波数が無限大とした場合の抵抗値を活性化過電圧と拡散過電圧の抵抗換算値とする。

なお、重畳させる交流信号の周波数を変化させながらそれぞれについてインピーダンスを求め記憶させていくように構成するならば、特殊な幾何演算をすることなく、インピーダンス曲線を求めることができる。

また、制御部８０は、制御手段として、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、回転数センサ５７、７３、９９、環境温度を検出する温度センサ８３などからのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５やエアコンプレッサ７５などの回転体の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。

また、制御部８０は、例えば、燃料電池システム２０に対する要求電力Ｐｒｅｑを基に、燃料電池２０への指令電流値および指令電圧値を演算し、演算結果を基に発電に必要なエア量やガス燃料量を算出し、算出結果に従ってエアコンプレッサ７５や水素ポンプ５５の駆動を制御するための処理を実行する。さらに、制御部８０は、電流検出信号Ｓｉと電圧検出信号Ｓｅを入力し、入力された電流検出信号Ｓｉと電圧検出信号Ｓｅを基に燃料電池２０の交流インピーダンスを計測し、計測された交流インピーダンスを基に燃料電池２０の乾燥状態や含水量を推定し、この推定結果を基に、運転時には、燃料電池２０の冷却液の温度を目標温度に維持するための処理を実行し、運転停止時には、燃料電池２０の含水量を最適値にするための掃気処理を実行するように構成されている。

次に図４の動作説明図と図５のフローチャートに従って、制御部８０によるＦＣ水温制御の具体的な処理内容を説明する。
まず、ステップＳ１において、制御部８０は、温度センサ８３の検出信号を参照して、ステップＳ２において、低温環境下の運転であるか否かを判定する。低温環境下であるか否かは、所定のしきい値温度と比較することになる。例えばこのしきい値温度は零度である。

その結果、低温環境下ではないと判定されるときには（Ｓ２／ＮＯ）、本発明の蓄熱処理は不要であるため、通常モードとしての運転を行う。すなわちステップＳ３において、制御部８０は、通常モードとして燃料電池システムを動作させるためのフラグをセットする。ここで通常モードはＦＣ水温（冷却液の温度）を第１の目標温度Ｔｘ（Ｔ３＜Ｔｘ＜Ｔ４。ここで、Ｔ３は、三方弁１３３をＦＣ連結側からショートサーキット側に切り替えるときの温度Ｔ１および冷却水ポンプ３５を高回転から低回転に切り替えるときの温度Ｔ２よりも高い温度）で制御するためのモードである。

一方、低温環境下にあると判定されるときには（Ｓ２／ＹＥＳ）、本発明の蓄熱処理を実行するものとして、蓄熱モードとしての運転を行う。すなわちステップＳ４において、制御部８０は、蓄熱モードとして燃料電池システムをどう支えるためのフラグをセットする。ここで蓄熱モードはＦＣ水温（冷却液の温度）を第２の目標温度Ｔｙ（Ｔ４＜Ｔｙ＜Ｔ５）で制御するためのモードである。

その後、制御部８０は燃料電池２０に流れる冷却液の温度を監視しながら、上記設定による目標温度に達するまで、および、達してからの温度制御に移行する。

まず、制御部８０は、燃料電池２０の出口側における冷却液の温度を温度センサ３２から取り込み（Ｓ５）、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ３に達したか否かを判定する（Ｓ６）。その結果として、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ３に達していないときには（Ｓ６／ＮＯ）、燃料電池２０の発電により燃料電池の温度が制御目標温度付近に間で上昇するまで待つ。

すなわち、制御部８０は、冷却水ポンプ３５を高回転で駆動し（Ｓ７）、ショートサーキットモードになるよう三方弁１３３を切り替えて、冷却液循環路１３２への冷却液の流入を遮断する（Ｓ８）。そして、ロータリバルブ（ＲＶ）３４をバイパス流路側に切り替る（Ｓ９）。これにより、ＦＣ発電に伴って冷却液の温度が順次上昇する。この後、制御部８０は、所定時間が経過するのを待ち（Ｓ１０／ＮＯ）、所定時間が経過したときには（ＹＥＳ）ステップＳ５の処理に戻る。

ステップＳ３において、制御部８０は、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ３に達したこと又は温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ３を超えたことを条件に（ＹＥＳ）、ステップＳ３またはＳ４により設定された目標温度に応じた温度維持制御に移行する。

まず制御部８０は、エアコンプレッサ（ＡＣ）１４３をオンにし（Ｓ１１）、冷却水ポンプ３５を高回転から低回転に切り替える（Ｓ１２）。そして、制御部８０は、ステップＳ１３において、三方弁１３３をＦＣ連結モードになるように切り替える。すなわち図１及び図２において、三方弁１３３のＢ−Ｃ側が連通するように切り換える。この切り換えによって、燃料電池２０の出口からの冷却液の一部が、ウォータポンプ１３４、熱交換器１３５、１３６を経由して、ロータリバルブ３４下流の冷却液に合流するようになる。

この後、制御部８０は、ステップＳ１４に移行し、セットされたフラグから通常モードか否かを判定する。通常モードと判定されるとき（Ｓ１４／ＹＥＳ）には、通常モードとして第１の目標温度に燃料電池を維持する温度制御に移行し、蓄熱モードと判定されるとき（Ｓ１４／ＮＯ）には、蓄熱モードとして第２の目標温度に燃料電池を維持する温度制御に移行する。

通常モードにおいて、制御部８０は、温度センサ３２の検出温度（水温）＞温度Ｔ４か否かを判定し（Ｓ１５）、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ４よりも低いときには（ＮＯ）、燃料電池の温度が上昇するまで待つ。一方、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ４よりも高くなったときには（ＹＥＳ）、第１の目標温度の上限（Ｔ４）に達したものとして、制御部８０はロータリバルブ３４をラジエータ側流路に切り替え、ラジエータ３３によって冷却液を冷却させる（Ｓ１６）。ラジエータ側流路に切り替えられることにより、冷却液の熱が奪われ燃料電池の温度が低下し出す。

次に、制御部８０は、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ４であるか否かを判定し（Ｓ１７）、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ４よりも低くなったときには（ＹＥＳ）、さらに温度センサ３２の検出温度（水温）＜温度Ｔ３か否かを判定する（Ｓ１８）。そして温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ３よりも低くなったときには（ＹＥＳ）、制御部８０は温度センサ３２の検出温度（水温）が第１の目標温度の範囲から外れたものと判断し、ロータリバルブ３４をバイパス流路側に切り替える（Ｓ１９）。これにより、ＦＣ発電に伴って冷却液の温度が順次上昇する。

この後、制御部８０は、運転終了か否かを判定し（Ｓ２０）、運転終了のときには（ＹＥＳ）、このルーチンでの処理を終了し、運転を継続するときには（ＮＯ）、再度、温度センサ８３からの環境温度を検出し（Ｓ２１）、ステップＳ２２において、環境温度が低温環境下になっているか否かを判定する。その結果、環境温度が下がり低温環境になっていると判断できる場合には（ＹＥＳ）、制御部８０は、本発明の蓄熱処理を実施すべき状態であると判断し、蓄熱モードへ移行するために、ステップＳ４に移行する。

一方、環境温度が低温環境下ではないと判定されたときには（ＮＯ）、制御部８０は、通常モードとしての温度制御を行うべく、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１〜ステップＳ２２の処理を繰り返すことで、ＦＣ水温（冷却液の温度）を第１の目標温度Ｔｘの範囲内に制御する。

一方、ステップＳ１４において、蓄熱モードであると判定したときには（ＮＯ）、蓄熱モードとして第２の目標温度に燃料電池を維持する温度制御が実施される。すなわち、制御部８０は、ステップＳ２３において、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ５より高いか否かを判定しながら、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ５よりも高くなるまで待つ（ＮＯ）。そして、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ５よりも高くなったときには（ＹＥＳ）、第２の目標温度の上限（Ｔ５）に達したものと判定し、制御部８０は、ロータリバルブ３４をラジエータ側流路に切り替え、ラジエータ３３によって冷却液を冷却させる（Ｓ２４）。

次に、制御部８０は、ラジエータ３３によって冷却液が冷却されたことに伴って、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ５より低いか否かを判定し（Ｓ２５）、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ５よりも低くなったときには（ＹＥＳ）、温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ４より低いか否かを判定する（Ｓ２６）。温度センサ３２の検出温度（水温）が温度Ｔ４よりも低くなったときには（ＹＥＳ）、制御部８０は、温度センサ３２の検出温度（水温）が第２の目標温度の範囲から外れたとして、ロータリバルブ３４をバイパス流路側に切り替える（Ｓ２７）。これにより、ＦＣ発電に伴って冷却液の温度が順次上昇する。

この後、制御部８０は、運転終了か否かを判定し（Ｓ２８）、運転終了のときには（ＹＥＳ）、このルーチンでの処理を終了する。

運転を継続するときには（ＮＯ）、ステップＳ２９において、制御部８０は燃料電池の含水量を推定する。すなわち、制御部８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により交流信号を電力線に重畳された上で電圧センサ９７および電流センサ９８から電流検出信号Ｓｉと電圧検出信号Ｓｅを入力し、入力された電流検出信号Ｓｉと電圧検出信号Ｓｅを基に燃料電池２０の交流インピーダンスを計測し、計測した交流インピーダンスが所定値より低いか否かを判定する（Ｓ３０）。

ここで交流インピーダンスは燃料電池２０の内部に滞留する水分量（以下「含水量」という。）に対応している。交流インピーダンスが低い程、燃料電池の内部が湿っていることを示し、交流インピーダンスが高い程、燃料電池の内部が乾燥していることを示す。

その結果、計測した交流インピーダンスが所定値より低いときには（ＹＥＳ）、燃料電池の含水量が一定値以上確保されているものと判断し、制御部８０は、蓄熱モードの実施を継続すべく、ステップＳ２４〜ステップＳ３０の処理を繰り返すことで、ＦＣ水温（冷却液の温度）を第２の目標温度Ｔｘの範囲内に制御する。

一方、ステップＳ３０において、計測した交流インピーダンスが所定値より高いと判定したときには（ＮＯ）、燃料電池が乾燥気味であることを意味する。そこで制御部８０は、ステップＳ３１において、フラグ設定を蓄熱モードに変更し、ステップＳ１４に移行する。つまり、低温環境下にあったとしても、燃料電池が乾燥気味である場合には、蓄熱モードとしての高めの冷却液温度設定による運転が禁止され、強制的に通常モードに移行される。

図４は、上記温度制御によって変化する冷却液の温度である。
図４に示すように、通常モードである場合には、第１の目標温度である温度Ｔ３〜Ｔ４の間に冷却液の温度が維持される。また蓄熱モードである場合には、通常モードのための第１の目標温度よりも高めの第２の目標温度である温度Ｔ４〜Ｔ５の間に冷却液の温度が維持される。

以上、本実施形態によれば、冷却液供給系における冷却液の温度が目標温度となるように、冷却液に対する熱交換量を制御する過程で、低温環境下では、冷却液の目標温度を、第１の目標温度よりも温度が高い第２の目標温度の範囲内に設定するようにしたため、低温環境下にあっても冷却液の熱エネルギーを蓄熱することができ、冷却液の温度が低下しすぎるのを防止することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池２０の電解質膜が乾燥気味のときには、低温環境下であっても、冷却液の目標温度を第１の目標温度の範囲内に設定するようにしたため、燃料電池２０の電解質膜が乾燥しすぎるのを防止することができる。
なお、上記実施形態では、図３に示すようなエアコンを利用した加熱手段により蓄熱モードにおける冷却液の加熱をしていたが、このような構成に限定されることはない。冷却液を昇温させるができる構成であれば、任意の手段を適用することが可能である。

本発明に係る燃料電池システムのシステム構成図である。本発明に係るＦＣ冷却循環系と空気循環系のブロック構成図である。本発明の実施形態に係る制御部の機能ブロックを示す構成図である。本発明の実施形態に係る制御部の作用を説明するための動作説明図である。本発明の実施形態に係る制御部の作用を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池システム、２０燃料電池、４０燃料ガス流路、５５水素ポンプ、７５エアコンプレッサ、８０制御部、９７電圧センサ、９８電流センサ、１３１ＦＣ冷却液循環系、１４１空気循環系

Claims

反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
所定の温度以下の低温環境下では、該通常運転時よりも高い目標温度となるように該燃料電池の温度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
該燃料電池に冷却液を供給する冷却液供給手段と、
該冷却液の温度が目標温度となるように、該冷却液に対する熱交換量を制御する冷却液制御手段と、を備え、
該冷却液制御手段は、低温環境下では、前記通常運転時よりも高い目標温度となるように該冷却液の温度を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却液制御手段は、前記燃料電池の電解質膜が乾燥気味のときには、前記低温環境下であっても、前記目標温度を前記通常時の目標温度に維持してなること、
を特徴とする燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却液供給手段は、
前記燃料電池を冷却するための冷却液のループを形成する冷却路と、
前記冷却路中に挿入されて前記冷却液を循環させる冷却液ポンプと、
前記冷却液の熱を外部に放熱するラジエータと、
前記ラジエータへ流入する冷却液の流路を、前記ラジエータをバイパスするバイパス側流路と前記ラジエータを通過するラジエータ側流路とに切り替える切替えバルブと、を備え、
前記冷却液制御手段は、
前記冷却路中の冷却液を加熱する加熱手段と、
前記冷却路中の冷却液の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出温度が目標温度となるように前記切替えバルブの切り替えを制御する制御手段と、を備え、
前記冷却液制御手段は、前記温度センサの検出温度が低温環境下にあることを示すときには、前記目標温度を高くするとともに、前記冷却液の温度が、高くなった目標温度となるように前記加熱手段を駆動してなること、
を特徴とする燃料電池システム。